Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/22655
Title: Tolerance of deep-sea benthic ecosystems to tarwling disturbance
Other Titles: Tolerância de ecossistemas bentónicos de mar profundo a perturbação induzida por pesca de arrasto
Author: Ramalho, Sofia Alexandra Pinto
Advisor: Cunha, Maria Marina Ribeiro Pais da
Vanreusel, Ann
Lampadariou, Nikolaos
Keywords: Ciências do mar
Ecossitemas marinhos
Macrofauna bentónica - Portugal
Pesca de arrasto
Defense Date: 15-Nov-2017
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: A pesca de arrasto de fundo é considerada a atividade antropogénica mais difundida e destrutiva que atualmente ameaça os ecossistemas de mar profundo. Geralmente, esta atividade está associada à redução da abundância e biomassa de organismos bentónicos, alterações na estrutura das comunidades e perda de biodiversidade em habitats de substrato rochoso (nomeadamente montes submarinos e recifes de coral de águas profundas), onde taxas de recuperação ocorrem tipicamente num período de várias décadas. No entanto, é nas regiões de fundos sedimentares, nomeadamente no talude continental e canhões submarinos, onde se concentram a maior parte dos pesqueiros e a maior pressão por parte dos arrastões de profundidade. No entanto, os efeitos sobre a biodiversidade e o funcionamento dos ecossistemas são pouco conhecidos, inclusive na margem Ibérica Oeste, uma das regiões Europeias mais impactadas por artes de arrasto de fundo. Como tal, a presente tese teve como objetivo principal investigar os efeitos da perturbação física induzida pelos arrastões de profundidade na composição, diversidade e estrutura trófica das comunidades bentónicas, bem como na manutenção de funções essenciais dos ecossistemas mediadas pela fauna (por exemplo, transformação da matéria orgânica, reciclagem de nutrientes, respiração e produção secundária). No total, foram selecionadas para o presente estudo três áreas de interesse, representativas de vários graus de perturbação física (não arrastado, e baixa e alta pressão por arrasto) na transição da plataforma para o talude continental da margem Sudoeste Portuguesa. Estas áreas foram estabelecidas a partir de dados de sistemas satélite de monitorização de embarcações (VMS). Foram realizados levantamentos de vídeo através de um veículo de operação remota (ROV) e amostradas sete estações dentro das três áreas de interesse, que permitiram a comparação das comunidades bentónicas, em termos de abundância, biomassa total, composição e diversidade (taxonómica e trófica), incluindo os grupos de meiofauna, macrofauna e mega-epifauna. Além disso, foi também realizado um trabalho experimental de curta duração (5 dias) com sedimentos colhidos em dois locais sujeitos a diferentes níveis de perturbação por arrasto. Aos sedimentos colhidos foram adicionadas algas marcadas com 13C, de forma a investigar vários proxys de funções tipicamente mediadas por comunidades bentónicas, nomeadamente mineralização de carbono por comunidades microbianas, biomassa bacteriana total (através da absorção do 13C e estimada a partir de ácidos gordos derivados de fosfolipídios específicos de bactérias - PLFAs), bioturbação (através da absorção do 13C no sedimento) e bioirrigação (analisada a partir da variação das concentrações de amónia no sedimento). Além disso, taxas de respiração e a respiração total da fauna foram utilizadas como proxy para a função metabólica do ecossistema. No geral, os resultados da presente tese demostraram que a pesca de profundidade por artes de arrasto de fundo resulta na degradação da integridade dos fundos marinhos (por exemplo, áreas perturbadas demonstraram uma topografia aplanada, pouca evidência de bioturbação e marcas de portas e redes de arrasto). As componentes da fauna de maior dimensão (mega-epifauna e macrofauna) apresentaram composições distintas nas áreas investigadas. Em condições de elevada perturbação física, observou-se a diminuição da riqueza taxonómica induzida pela perda de espécies raras e sensíveis à perturbação (por exemplo, organismos filtradores ou suspensívoros). Acresce que, no geral, a baixa dissimilaridade entre as áreas de pesqueiro e áreas adjacentes sujeitas a baixa perturbação, sugere que os efeitos negativos detectados podem estender-se para além das áreas directamente afectadas (por exemplo, resultados indirectos associados a plumas de sedimentos em suspensão). Correlações negativas significativas foram detectadas entre vários índices de diversidade da megaepifauna e esforço de pesca, bem como com a abundância, riqueza especifica e riqueza de grupos tróficos de macrofauna. No entanto, não foram detectadas correlações entre esforço de pesca e outros índices de diversidade estimados para macrofauna (Shannon-Wiener e a equitabilidade de Pielou), apesar de diferenças na composição das comunidades evidentes através da análise multivariada e na interpretação das comunidades nucleares (compostas por espécies características, dominantes ou frequentes). Estes resultados sugerem que alguns índices de biodiversidade tipicamente utilizados em estudos de impacto ambiental podem não ser suficientemente sensíveis para identificar alterações das comunidades sob perturbação física. Apesar das alterações na composição da macrofauna, a complexidade trófica foi no geral mantida (presença de todos grupos tróficos em todas as áreas). No entanto, a redundância trófica (número médio de espécies por grupo trófico) diminuiu, pelo que cada função (representada por cada grupo trófico) passou a ser assegurada por um menor número de espécies ou até mesmo uma única espécie. Esta alteração traduz-se numa maior vulnerabilidade a perturbações adicionais e/ou continuadas que induza novas extinções locais de espécies. Os resultados experimentais sugerem que as práticas de pesca de arrasto de profundidade na área de estudo parecem não afectar a biomassa bacteriana, nem a composição e a diversidade de organismos da meiofauna. A deplecção de várias funções realizadas pelos ecossistemas nas áreas sujeitas a de alta perturbação por pescas de arrasto, inclusive fluxos de energia e matéria nos sedimentos, foram relacionadas com alterações relevantes na composição da macrofauna, bem como alterações no espectro de tamanhos corporais dos organismos (prevalência de espécies de menor tamanho sob condições de perturbação generalizada). Tanto a produção secundária bacteriana, como a bio-irrigação e bioturbação apresentaram uma redução em sedimentos obtidos nas áreas de arrasto intenso. Adicionalmente, foi observada uma correlação positiva entre a respiração total e a riqueza específica da macrofauna, sustentando a nossa hipótese de que funções fundamentais do ecossistema podem sofrer depleções sob condições de perturbação física por arrasto de profundidade. Em resumo, a presente tese demonstrou que as atividades de arrasto de profundidade têm efeitos prejudiciais nas comunidades bentónicas de habitats sedimentares, em particular na mega-epifauna e macrofauna. Estes efeitos manifestam-se numa redução de funções regulatórias essenciais do ecossistema, normalmente mediadas pela fauna afetada. Estes resultados sugerem que a exploração continuada dos recursos biológicos ao longo da Margem Portuguesa, estão atualmente a pôr em risco os ecossistemas de mar profundo, e em particular as suas comunidades bentónicas. É importante salientar que os efeitos negativos detectados podem nem sempre ser identificados pelos actuais indicadores utilizados na avaliação dos impactos e programas de monitorização em sistemas marinhos e, portanto, deverão ser acompanhados por outros indicadores da composição das comunidades, condição do ecossistema e vulnerabilidade, de modo a adequadamente determinar o estado ambiental de ecossistemas de mar profundo ao longo das margens Europeias.
Bottom-trawling fisheries are considered the most pervasive and destructive anthropogenic activity presently threatening deep-sea ecosystems. In general terms, this activity is associated with the reduction of the benthos standing stocks, alterations of the benthic community structure and loss of fauna biodiversity in hard substrate habitats (i.e. seamounts and cold-water coral reefs), where recovery rates are estimated to be within decades. Yet, it is within the soft sediment regions, such as the continental slopes and submarine canyons, where a large amount of the trawling pressure is presently concentrated, and the effects on biodiversity and ecosystem function derived from this practice are barely known. This is particularly applicable for the West Iberian Margin, one of the most disturbed regions by bottom trawlers in Europe. Hence, this research aimed to investigate the effects of the longterm induced physical disturbance by bottom trawlers on the deep-sea softsediment benthic assemblages composition, diversity and trophic structure, and how this was translated into the maintenance of essential ecosystem functions (e.g. organic matter transformation and nutrient cycling, secondary production, ecosystem metabolism). Three main areas were selected based on various degrees of disturbance (no, low, and high trawling pressure) along a continental slope area off the SW Portuguese margin, established from Vessel Monitoring Systems (VMS) data. Remotely Operated Vehicle (ROV) video surveys and a total of seven stations within these three areas were sampled to compare the benthic assemblages, in terms of total standing stocks (abundance and biomass), composition and diversity (both taxonomic and trophic), including meiofauna, macrofauna and mega-epifauna groups. Additionally, an onboard short-term pulse-chase experiment (5 days) was performed on sediment cores obtained from two selected locations, and enriched with 13C labeled algae, to investigate several proxies of ecosystem functions in the sediment typically promoted by the benthic assemblages. These included carbon mineralization and production by bacteria communities and their total biomass (13C uptake estimated through bacteria specific phospholipid-derived fatty acids – PLFAs), bioturbation (13C sediment uptake profile with sediment depth) and bioirrigation (ammonia concentrations in the sediment depth profile). Additionally, infauna respiration rates and total respiration were used as a proxy for ecosystem metabolic function. Overall, the main results of the present thesis showed an evident compromise of the seabed integrity at the highly disturbed area (e.g. often flattened topography, low bioturbation evidence, and numerous trawl scars). Furthermore, the larger sized component of the benthic biota (megafauna and macrofauna) showed distinct assemblages between the areas investigated, and a lower morphospecies/species richness under conditions of high trawl disturbance, due to the loss of rare and trawl sensitive groups (e.g. sessile filter feeding fauna). Besides, a lower dissimilarity between assemblages were found in the main fishing ground areas (high trawled) and the adjacent lowdisturbance locations, suggesting that the potentially negative effects of trawling are extended beyond the main targeted areas (e.g. by the plumes of re-suspended sediments). Significant negative correlations were generally detected between various mega-epibenthic diversity indices and trawling pressure, as well for macrofauna abundance, species/trophic guild richness. However, diversity indices related with macrofauna community structure (Shannon-wiener and Pielou’s evenness) failed to detect the observed differences in community structure observed by the multivariate analysis and the structure of the core assemblages (i.e. characteristic, dominant or frequent taxa). We suggest that such indices may not be sensitive enough to identify changes under conditions of physical disturbance. Besides, even though alterations of macrofauna community composition were not reflected in an impoverished trophic complexity (all feeding guilds present in all areas), as a result of an increase trawling pressure, macrofauna trophic redundancy (average number of species per trophic guild) declined, reflecting a higher vulnerability under conditions of disturbance, as each function (trophic guild) was insured by a low number of species. Contrariwise, trawling practices seemed to have little effect on either bacterial biomass or meiofauna standing stocks and composition. A depletion of important ecosystem functions, such as energy and matter fluxes in the sediments at the high trawling pressure areas was particularly linked with changes in macrofauna assemblages and size structure, towards a dominance of smaller sized species under conditions of permanent disturbance. Both bacterial production and bioirrigation/ bioturbation (e.g. the higher build-up of ammonia at the sediment deeper layers), was reduced in high trawled sediments. Furthermore, the general decline in macrofauna species richness across the study region was correlated with the depletion of macrofauna total respiration, supporting our hypothesis that the depletions of fundamental regulatory ecosystem functions occur under high trawling disturbance regimes. In summary, this thesis demonstrated that trawling activities have deleterious effects on soft-sediment benthic assemblages, mainly within mega-epifauna and macrofauna, and are linked with the depletion of essential regulatory ecosystem functions normally mediated by the affected biota. These suggest that the exploitation of the deep-sea natural resources in the SW Portuguese Margin, one of the most disturbed regions by bottom trawlers in Europe, is currently endangering its benthic habitats. Finally, the deleterious effects on the benthic habitats associated with trawling disturbance may not be perceived by the current routinely used monitoring tools for impact assessment and monitoring programmes in marine systems (e.g. univariate indices of diversity) and therefore should be accompanied by other indicators of community composition, ecosystem condition and vulnerability to adequately determine and achieve a Good Environmental Status is deep-sea areas within the European margins.
Description: Doutoramento em Ciências do Mar
URI: http://hdl.handle.net/10773/22655
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UA - Teses de doutoramento

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